模組內部燈條LED真實(shí)熱阻模擬測試系統研究與分析

0   引言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及能源的日益緊缺，半導體照明的研究獲得了很大的進(jìn)步，而半導體產(chǎn)品具有功耗低、使用壽命長(cháng)和響應時(shí)間短等眾多優(yōu)勢和發(fā)展潛力，已呈現逐漸取代傳統照明產(chǎn)品的趨勢[1]。LED是半導體照明中的關(guān)鍵器件，由于功率越來(lái)越大，大功率LED的耗散功率會(huì )導致LED芯片PN 結結溫上升，從而顯著(zhù)地影響LED的光度、色度和電氣參數，甚至可能導致器件失效[2-4]。因此，在LED的整機、模組應用中，如電視模組，會(huì )優(yōu)先考慮熱阻小，結溫低的LED。與此同時(shí)，整機模組廠(chǎng)商不僅關(guān)注單個(gè)LED熱阻和結溫測量，更關(guān)注的是在整機或者模組狀態(tài)下內部燈條LED的真實(shí)熱阻，以便為模組可靠性設計提供有力支撐。

目前行業(yè)測量LED熱阻比較通用、靠譜的方法是電學(xué)參數法，使用T3ster設備，T3Ster基于先進(jìn)的JEDEC ‘Static Method’測試方法（JESD51-1），通過(guò)改變電子器件的輸入功率，使器件產(chǎn)生溫度變化，但該設備僅能測量尺度約在30 mm以?xún)鹊男∧K的LED熱阻，無(wú)法評價(jià)整機或模組狀態(tài)下的LED熱阻（如常用的32寸到65寸模組）。因此，本文研究?jì)热莸脑砘陔妼W(xué)參數方法，并在此基礎上利用“焊腳溫度、環(huán)境溫度”等效法，該方法可以真實(shí)可靠地模擬模組內部燈條LED的熱阻特性。

1   測試原理

LED是一種半導體器件，主要以熱阻來(lái)表征其本身的熱學(xué)特性。在熱平衡的條件下，2個(gè)規定點(diǎn)（或區域）溫度差與產(chǎn)生這兩點(diǎn)溫度差的熱耗散功率之比值稱(chēng)為熱阻，用Rth表示，它表征了LED的散熱能力。熱阻計算公式如下：

Rth=（Tj-Ts）/P       （1）

其中，Tj 為穩定時(shí)待測LED的結溫；Ts為穩定環(huán)境的參考點(diǎn)溫度；P是待測LED在熱傳導通道上的耗散功率，Rth為待測LED P-N結到指定參考點(diǎn)(S點(diǎn))之間的熱阻。通過(guò)式（1）可知，結到測試點(diǎn)Ts的熱阻，可由兩者之間的結溫與耗散功率比值得到。很多研究已經(jīng)表明，熱阻（結到焊腳Ts)，與環(huán)境溫度、PCB設計、散熱材質(zhì)均強相關(guān)，本文研究基于電學(xué)參數方法測試原理，采用的熱阻等效方法，利用“焊腳溫度、環(huán)境溫度”等效，通過(guò)設計相應的PCB規格，使T3ster熱阻測試儀可測量的待測LED模塊的焊腳及環(huán)境溫度，與真實(shí)模組或整機狀態(tài)里的LED焊腳及環(huán)境溫度相當，利用該模塊測得的熱阻等效為模組或整機狀態(tài)里的LED熱阻。其中，被測模塊與整機/模組原始燈條LED具有相同的環(huán)境溫度、LED規格、散熱材質(zhì)、驅動(dòng)電流及相同的焊腳溫度，因此用被測模塊熱阻等效原始整機/模組原始燈條LED熱阻。

2   測試系統的構成

本文研究的測試系統組成框架如圖1所示，主要由電流測試儀、整機或者模組、溫度測試儀和T3ster設備組成。在整機或者模組點(diǎn)亮狀態(tài)下，通過(guò)電流測試儀測試電路中的驅動(dòng)電流，從而確定通過(guò)燈條上LED的電流；T3ster設備測試整機或者模組內部的燈條LED熱阻；溫度測試儀測試在整機或者模組點(diǎn)亮狀態(tài)下內部的環(huán)境溫度和測試LED的焊腳溫度，從而確定T3ster設備上設置的環(huán)境溫度和LED的焊腳溫度。

圖1系統構成

3   測量方法與步驟

1)在點(diǎn)亮狀態(tài)下，測試模組燈條的實(shí)際工作電流IF；

2)選取模組中溫升最高的LED（一般靠近電源板位置），在煲機2 h后測試該LED的焊腳溫度Ts1和模組內部環(huán)境溫度Ta1；

3)截斷該燈條上的LED，記錄尺寸為L(cháng)1，接好連接線(xiàn)，放置在T3ster的恒溫槽；

4)設置恒溫槽的溫度為T(mén)a2，Ta1=Ta2，測試電流為IF。在溫度Ta2穩定后，記錄該LED溫升為T(mén)s2；

5)對比Ts1和Ts2，當Ts1＞Ts2，則繼續縮小燈條PCB板的尺寸，直至Ts1=Ts2；

6)當滿(mǎn)足Ta1=Ta2，Ts1=Ts2后，測試該尺寸長(cháng)度的LED的K系數和降溫曲線(xiàn)，再對降溫曲線(xiàn)提取結構函數，進(jìn)行積分結構和微分結構，從結構函數中自動(dòng)分析出該LED的熱阻；

(7)測試該LED的熱阻，即等效該LED在模組狀態(tài)下的熱阻。

4   測試過(guò)程

本次測試采用43英寸電視模組，首先點(diǎn)亮43英寸模組，用電流測試儀TDS3032B設備連接線(xiàn)夾住燈條線(xiàn)，記錄43英寸模組的電流為492 mA。拆開(kāi)該43英寸模組，選擇溫升最高的LED（一般靠近電源板位置），在刮去該LED的燈條PCB銅箔，使該LED與其他LED斷開(kāi)單獨控制，再用導線(xiàn)把其他LED連接起來(lái)，同時(shí)把單獨控制的LED負極連接溫度測試儀的探頭1，測試焊腳溫度Ts1，另一個(gè)探頭2放置在該LED附近，測試環(huán)境溫度Ta1，如圖2所示。裝好43英寸模組，用直流源單獨點(diǎn)亮該LED，其余正常電源板點(diǎn)亮，煲機2 h后，記錄探頭1和探頭2對應的焊腳溫度Ts1和Ta1分別為59.9 ℃、50.3 ℃。把43英寸模組測試的LED取出，連接導線(xiàn)，記錄尺寸L2為14 mm×17 mm，放在T3ster設備的恒溫槽內，如圖3。設置槽內溫度為T(mén)a2=Ta1=50.3 ℃，測試電流為492 mA，一段時(shí)間后記錄此時(shí)的LED焊腳溫度Ts2為58.9 ℃。由于Ts2＜Ts1，繼續縮小PCB的尺寸，當尺寸L3為14 mm×10 mm，得到的Ts3為60.3 ℃。此時(shí)焊腳溫度Ts3與在43英寸模組內部測試的焊腳溫度Ts1接近，且環(huán)境溫度相同，Ta2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，則測試該尺寸L3的LED在不同環(huán)境溫度下的電壓值，如圖4，由式（2）得到K系數：

K =ΔT/ΔVF          （2）

然后設置環(huán)境溫度為T(mén)a2=Ta1=Ta3=50.3 ℃，輸入測試電流492 mA，一定時(shí)間后達到熱平衡，設置電流為1 mA，實(shí)現快速降溫，同時(shí)得出降溫曲線(xiàn)，如圖5。通過(guò)TSP（溫度敏感參數）獲得LED的瞬態(tài)溫度變化曲線(xiàn)，即將K因子關(guān)系代入電壓變化以獲得瞬態(tài)溫度變化曲線(xiàn)，對冷卻曲線(xiàn)進(jìn)行數值處理并提取結構函數，得到了微分結構曲線(xiàn)和積分結構曲線(xiàn)，如圖6和圖7，從曲線(xiàn)看出，一共有5個(gè)明顯的峰，代表5個(gè)不同位置的熱阻，從左到右分別為PN結內部的熱阻、結到固晶層的熱阻、結到焊盤(pán)的熱阻、結到PCB的熱阻、結到環(huán)境的熱阻，如圖8。我們測試的位置是燈條的LED負極焊腳S點(diǎn)，因此，第3個(gè)峰結到焊盤(pán)的熱阻就是我們需要測試的結果，從而得出尺寸為L(cháng)2和L3時(shí)對應的熱阻為8.38 K/W和8.96 K/W，并在測試過(guò)程中得出電壓、Tj等參數。當尺寸為L(cháng)3時(shí)，43英寸模組內部和恒溫槽內環(huán)境溫度Ta相同，且焊腳溫度Ts基本一致，此時(shí)尺寸L3的熱阻值可以等效為在43英寸模組內真實(shí)的熱阻。

圖2 模組內LED連接示意圖

圖3 恒溫槽內LED連接示意圖

圖4 瞬態(tài)溫度響應曲線(xiàn)（K系數）

圖5 樣品冷凝曲線(xiàn)（降溫曲線(xiàn)）

圖6 由K系數和冷凝曲線(xiàn)獲得瞬態(tài)溫度曲線(xiàn)

圖7 代入結構函數得到L2和L3尺寸對應的熱阻

圖8 LED不同位置熱阻示意圖

5   實(shí)驗數據及分析

通過(guò)上述的測試方法，得出43英寸模組內燈條LED的熱阻及相關(guān)光學(xué)參數，同樣的方式測得32英寸模組、50英寸模組、55英寸模組和65英寸模組，數據如表1。

表1 各種尺寸模組的數據

上述表中的環(huán)境溫度Ta，與模組內部的燈條數量及排布有很大關(guān)系，43UHD模組空間小，燈條數量多，因此模組內的環(huán)境溫度比其他尺寸模組大，對應的焊腳溫度Ts、結溫Tj和熱阻也大。

根據表中熱阻的測試結果，理論計算公式Rth =（Tj -Ts）/P，式中的Tj、Ts和P=IV可在測試過(guò)程中得出，推算理論熱阻是否與實(shí)驗結果接近。如43UHD模組中，當PCB尺寸為14 mm×10 mm時(shí)，環(huán)境溫度和焊腳溫度基本一致，實(shí)驗測試的熱阻為8.96 K/W，實(shí)驗過(guò)程可知Tj=74.3 ℃、Ts=60.3 ℃、P=IV= 1.509 2 W，則可得熱阻為9.14 K/W，實(shí)驗測試值與理論計算值接近。

6   結語(yǔ)

基本電學(xué)參數法測試LED的原理，利用“焊腳溫度、環(huán)境溫度”等效，通過(guò)設計相應的PCB規格，使T3ster熱阻測試儀可測量的待測LED模塊的焊腳及環(huán)境溫度，與真實(shí)模組或整機狀態(tài)里的LED焊腳及環(huán)境溫度相當，該模塊測得的熱阻即可等效為模組或整機狀態(tài)里的LED熱阻。本實(shí)驗結果證實(shí)上述方法可行并具有較高的可信度，通過(guò)這種等效的辦法，可以解決T3ster設備無(wú)法評價(jià)整機或模組狀態(tài)下的LED熱阻，真實(shí)還原在模組、整機內LED熱阻發(fā)熱狀態(tài)，提高整機、模組LED壽命評價(jià)方法的準確性、科學(xué)性，提升可靠性。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）